Además de responder a estímulos eléctricos y químicos, muchas de las células neurales del cuerpo también pueden responder a efectos mecánicos, como presión o vibración. Pero estas respuestas han sido más difíciles de estudiar para los investigadores, porque no ha habido un control fácilmétodo para inducir tal estimulación mecánica de las células. Ahora, los investigadores del MIT y de otros lugares han encontrado un nuevo método para hacer precisamente eso.
El hallazgo podría ofrecer un paso hacia nuevos tipos de tratamientos terapéuticos, similares a la neuroestimulación de base eléctrica que se ha utilizado para tratar la enfermedad de Parkinson y otras afecciones. A diferencia de esos sistemas, que requieren una conexión de cable externo, el nuevo sistema estaría completamente en contacto- libre después de una inyección inicial de partículas, y podría reactivarse a voluntad a través de un campo magnético aplicado externamente.
El hallazgo se informa en la revista ACS Nano en un documento del ex postdoctorado del MIT Danijela Gregurec, Alexander Senko PhD '19, la Profesora Asociada Polina Anikeeva y otras nueve personas en el MIT, en el Hospital Brigham and Women's de Boston y en España.
El nuevo método abre una nueva vía para la estimulación de las células nerviosas dentro del cuerpo, que hasta ahora se ha basado casi por completo en vías químicas, mediante el uso de productos farmacéuticos o en vías eléctricas, que requieren cables invasivos para suministrar voltaje ael cuerpo. Esta estimulación mecánica, que activa vías de señalización completamente diferentes dentro de las neuronas mismas, podría proporcionar un área de estudio importante, dicen los investigadores.
"Una cosa interesante sobre el sistema nervioso es que las neuronas realmente pueden detectar fuerzas", dice Senko. "Así es como funciona su sentido del tacto, y también su sentido del oído y el equilibrio". El equipo apuntó a un grupo particular de neuronas dentroUna estructura conocida como el ganglio de la raíz dorsal, que forma una interfaz entre los sistemas nerviosos central y periférico, porque estas células son particularmente sensibles a las fuerzas mecánicas.
Senko dice que las aplicaciones de la técnica podrían ser similares a las que se desarrollan en el campo de los medicamentos bioelectrónicos, pero requieren electrodos que suelen ser mucho más grandes y rígidos que las neuronas estimuladas, lo que limita su precisión y a veces daña las células.
La clave del nuevo proceso fue desarrollar discos minúsculos con una propiedad magnética inusual, lo que puede hacer que comiencen a agitarse cuando se someten a un cierto tipo de campo magnético variable. Aunque las partículas en sí mismas tienen solo unos 100 nanómetros de diámetro, aproximadamente uncentésima parte del tamaño de las neuronas que están tratando de estimular, se pueden fabricar e inyectar en grandes cantidades, de modo que su efecto colectivo sea lo suficientemente fuerte como para activar los receptores de presión de las células ". Fabricamos nanopartículas que en realidad producen fuerzas que las células pueden detectary responder ", dice Senko.
Anikeeva dice que las nanopartículas magnéticas convencionales habrían requerido la activación de campos magnéticos imprácticamente grandes, por lo que encontrar materiales que pudieran proporcionar suficiente fuerza con una activación magnética moderada era "un problema muy difícil". La solución resultó ser un nuevo tipo de magnetismonanodiscos
Estos discos, que tienen cientos de nanómetros de diámetro, contienen una configuración de vórtice de espines atómicos cuando no se aplican campos magnéticos externos. Esto hace que las partículas se comporten como si no fueran magnéticas, lo que las hace excepcionalmente estables en soluciones.Cuando estos discos se someten a un campo magnético variable muy débil de unos pocos militesla, con una frecuencia baja de solo varios hercios, cambian a un estado en el que los espines internos están todos alineados en el plano del disco. Esto permite que estos nanodiscos actúen comopalancas - moviéndose hacia arriba y hacia abajo con la dirección del campo.
Anikeeva, quien es profesora asociada en los departamentos de Ciencia e Ingeniería de Materiales y Ciencias Cerebrales y Cognitivas, dice que este trabajo combina varias disciplinas, incluida la nueva química que condujo al desarrollo de estos nanodiscos, junto con los efectos electromagnéticos y el trabajo en biologíade neuroestimulación.
El equipo primero consideró el uso de partículas de una aleación de metal magnético que podrían proporcionar las fuerzas necesarias, pero estos no eran materiales biocompatibles, y eran prohibitivamente costosos. Los investigadores encontraron una manera de usar partículas hechas de hematita, un óxido de hierro benigno,que puede formar las formas de disco requeridas. La hematita se convirtió en magnetita, que tiene las propiedades magnéticas que necesitaban y se sabe que es benigna en el cuerpo. Esta transformación química de hematita a magnetita convierte dramáticamente un tubo de partículas rojo sangre ennegro azabache.
"Tuvimos que confirmar que estas partículas realmente soportaron este estado de giro realmente inusual, este vórtice", dice Gregurec. Primero probaron las nanopartículas recientemente desarrolladas y demostraron, usando sistemas de imágenes holográficas proporcionadas por colegas en España, que las partículas realmentereaccionó como se esperaba, proporcionando las fuerzas necesarias para obtener respuestas de las neuronas. Los resultados llegaron a fines de diciembre y "todos pensaron que era un regalo de Navidad", recuerda Anikeeva, "cuando obtuvimos nuestros primeros hologramas, y realmente pudimos ver quehemos predicho teóricamente y sospechamos químicamente que en realidad era físicamente cierto "
El trabajo todavía está en su infancia, dice ella. "Esta es una primera demostración de que es posible usar estas partículas para transducir grandes fuerzas a las membranas de las neuronas para estimularlas".
Agrega "que abre todo un campo de posibilidades ... Esto significa que en cualquier parte del sistema nervioso donde las células son sensibles a las fuerzas mecánicas, y que es esencialmente cualquier órgano, ahora podemos modular la función de ese órgano".La ciencia lleva un paso más cerca, dice, al objetivo de la medicina bioelectrónica que puede proporcionar estimulación a nivel de órganos individuales o partes del cuerpo, sin la necesidad de drogas o electrodos.
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